자기이상
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1. 개요
자기 이상은 지구 자기장의 작은 변화를 의미하며, 자력계를 사용하여 측정한다. 플럭스게이트 자력계, 양성자 세차 자력계, 광학 펌핑 자력계가 사용되며, 측정 방식에 따라 지상, 항공, 선박, 우주선 기반 탐사로 나뉜다. 지상 탐사는 광물 탐사에, 항공 탐사는 석유 탐사에, 선박 탐사는 해저 지형 연구에, 우주선 탐사는 지구 자기장 변화 연구에 활용된다. 자기 이상 데이터는 외부 요인 보정 및 주 지자기장 제거 과정을 거쳐 해석되며, 유도 자화와 잔류 자화의 합으로 나타나는 암석의 자화 특성을 분석한다. 해저 줄무늬 연구, 고고학적 조사, 자원 탐사 등 다양한 분야에 활용되며, 아서 C. 클라크의 소설 《2001 스페이스 오디세이》와 같은 대중문화에도 등장한다.
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2. 측정
자기 이상은 일반적으로 지구 자기장의 작은 부분을 의미한다. 총 자기장은 25,000~65,000 나노테슬라(nT) 범위이다.[1] 이러한 이상 현상을 측정하려면, 자력계는 10nT 이하의 감도를 가져야 한다.[2] 자기 이상을 측정하는 데 사용되는 자력계에는 세 가지 주요 유형이 있다.[2][12]
- '''플럭스게이트 자력계''': 제2차 세계 대전 중 잠수함 탐지를 위해 개발되었다.[12][3] 센서의 특정 축을 따라 자기 성분을 측정하므로 방향을 맞춰야 한다. 지상에서는 종종 수직으로, 항공기, 선박, 위성에서는 축이 자기장 방향으로 향하도록 방향을 잡는다. 자기장을 지속적으로 측정하지만, 시간이 지남에 따라 발생하는 드리프트(drift)를 보정하기 위해 조사 중 동일한 위치에서 반복 측정을 수행해야 한다.[2][12]
- '''양성자 세차 자력계''': 자기장의 방향이 아닌 강도를 측정하므로 방향을 맞출 필요가 없다. 각 측정에 1초 이상이 소요된다. 시추공 및 고해상도 기울기계 조사를 제외한 대부분의 지상 조사에 사용된다.[2][12]
- '''광학 펌핑 자력계''': 루비듐 및 세슘과 같은 알칼리 금속 증기를 사용하며, 높은 샘플링 속도와 0.001nT 이하의 높은 감도를 갖지만 다른 자력계보다 가격이 비싸다. 주로 위성 및 항공 자기 탐사에 사용된다.[12]
2. 1. 자력계의 종류
자기 이상 측정에는 세 가지 주요 유형의 자력계가 사용된다.[2][12]- '''플럭스게이트 자력계''': 제2차 세계 대전 중 잠수함 탐지를 위해 개발되었다.[12][3] 센서의 특정 축을 따라 자기 성분을 측정하므로 방향을 맞춰야 한다. 지상에서는 종종 수직으로, 항공기, 선박, 위성에서는 축이 자기장 방향으로 향하도록 방향을 잡는다. 자기장을 지속적으로 측정하지만, 시간이 지남에 따라 발생하는 드리프트(drift)를 보정하기 위해 조사 중 동일한 위치에서 반복 측정을 수행해야 한다.[2][12]
- '''양성자 세차 자력계''': 자기장의 방향이 아닌 강도를 측정하므로 방향을 맞출 필요가 없다. 각 측정에 1초 이상이 소요된다. 시추공 및 고해상도 기울기계 조사를 제외한 대부분의 지상 조사에 사용된다.[2][12]
- '''광학 펌핑 자력계''': 루비듐 및 세슘과 같은 알칼리 금속 증기를 사용하며, 높은 샘플링 속도와 0.001nT 이하의 높은 감도를 갖지만 다른 자력계보다 가격이 비싸다. 주로 위성 및 항공 자기 탐사에 사용된다.[12]
3. 데이터 획득
3. 1. 지상 기반 탐사
지상 탐사는 일반적으로 15~60m 간격으로 일련의 관측 지점에서 측정이 이루어진다.[2][12] 주로 양성자 세차 자력계를 사용하며, 이는 종종 막대 위에 장착된다. 자력계를 높이 설치하면 인간이 버린 작은 철제 물체의 영향을 줄일 수 있다. 원치 않는 신호를 더욱 줄이기 위해, 탐사자들은 열쇠, 칼 또는 나침반과 같은 금속 물체를 휴대하지 않으며, 자동차, 철도 노선, 가시 철조망 울타리와 같은 물체는 피한다. 이러한 오염 물질 중 일부가 간과되면 이상치에서 날카로운 스파이크로 나타날 수 있으므로 이러한 특징은 의심스러운 시선으로 처리된다. 지상 탐사의 주요 적용 분야는 광물에 대한 상세한 탐색이다.[2][12]
3. 2. 항공 자기 탐사 (Aeromagnetic survey)
항공 자기 탐사는 석유 탐사에서 탄성파 탐사에 대한 예비 정보를 제공하기 위해 자주 사용된다.[2][12] 일부 국가에서는 정부 기관이 넓은 지역에 대한 체계적인 조사를 수행하기도 한다. 항공 자기 탐사 조사는 일반적으로 수백 미터에서 수 킬로미터에 이르는 간격으로 일정한 고도에서 일련의 평행선을 만들고, 오류 확인을 위해 주요 조사에 수직인 간헐적인 연결선으로 교차하는 방식으로 이루어진다.[12] 비행기는 자성의 원천이 되므로 센서는 붐에 장착되거나 케이블로 뒤에서 견인하는 방식으로 탐사를 진행한다.[2][12] 항공 자기 탐사는 지상 조사보다 공간 해상도는 낮지만, 심부 암석에 대한 지역 조사를 할 수 있다는 장점이 있다.[2][12]3. 3. 선박 기반 탐사 (Shipborne survey)
선박 기반 탐사에서 자력계는 "피시(fish)"라고 불리는 장치에 넣어 선박 뒤 수백 미터 뒤에서 견인된다. 센서는 약 15m의 일정한 깊이로 유지된다. 그 외의 절차는 항공자력 탐사에서 사용되는 것과 유사하다.[2][12]3. 4. 우주선 기반 탐사 (Spacecraft survey)
1958년 스푸트니크 3호는 자력계를 탑재한 최초의 우주선이었다.[4][5] 1979년 가을, Magsat이 발사되어 1980년 봄까지 NASA와 USGS가 공동으로 운영했다. 마그샛은 세슘 증기 스칼라 자력계와 플럭스게이트 벡터 자력계를 갖추었다.[6] 독일 위성인 CHAMP는 2001년부터 2010년까지 정밀한 중력 및 자기 측정을 수행했다.[7][8] 덴마크 위성인 외르스테드는 1999년에 발사되어 현재도 운용 중이며, 유럽 우주국의 스웜 임무는 2013년 11월에 발사된 3개의 위성 "군집"을 포함한다.[9][10][11] 이러한 우주선 기반 탐사는 지구 자기장의 장기적인 변화를 연구하는데 사용된다.4. 데이터 처리
자기 측정 데이터는 외부 요인에 의한 변화와 주 지자기장을 제거하는 보정 과정을 거쳐야 한다.
자기 측정에는 두 가지 주요 수정이 필요하다. 첫 번째는 외부 소스에서 발생하는 필드의 단기적 변동을 제거하는 것이다. 예를 들어, 하루 24시간의 주기를 가지며 최대 30nT의 크기를 갖는 일변화와 같은 ''시간적 변화''는 아마도 태양풍이 전리층에 미치는 작용에서 비롯될 것이다.[12] 또한, 자기 폭풍은 최대 1000nT의 크기를 가질 수 있으며 며칠 동안 지속될 수 있다. 기지에 반복적으로 돌아가거나 고정된 위치에서 필드를 주기적으로 측정하는 다른 자력계를 갖는 방식으로 이러한 기여도를 측정할 수 있다.[2]
두 번째는 이상이 자기장에 대한 국부적인 기여도이므로, 주 지자기장을 빼야 한다는 것이다. 이를 위해 일반적으로 국제 지자기 기준 필드가 사용된다. 이것은 위성, 자력 관측소 및 기타 측량에서 얻은 측정값을 기반으로 하는 지구 자기장의 대규모, 시간 평균 수학적 모델이다.[2]
중력 이상에 필요한 일부 수정 사항은 자기 이상에 비해 덜 중요하다. 예를 들어, 자기장의 수직 기울기는 0.03nT/m 이하이므로 고도 보정은 일반적으로 필요하지 않다.[2]
4. 1. 시간적 변화 보정
자기 측정에는 외부 요인에 의한 단기적인 자기장 변동을 제거하는 것이 필요하다. 태양풍이 전리층에 작용하여 발생하는 일변화는 최대 30nT의 크기를 가지며, 24시간 주기로 나타난다.[12] 자기 폭풍은 최대 1000nT의 크기를 가질 수 있으며 며칠 동안 지속될 수 있다.[2] 이러한 변화는 기준점을 반복 측정하거나 고정된 위치에서 주기적으로 자기장을 측정하여 보정할 수 있다.[2]또한, 자기 이상은 자기장에 대한 국부적인 기여도이므로, 주 지자기장을 제거해야 한다. 이를 위해 일반적으로 국제 지자기 기준 필드가 사용되며, 이는 위성, 자력 관측소 및 기타 측량 자료를 기반으로 한 지구 자기장의 대규모, 시간 평균 수학적 모델이다.[2]
자기 이상에서는 중력 이상에 비해 일부 보정이 덜 중요하다. 예를 들어, 자기장의 수직 기울기는 0.03nT/m 이하이므로 고도 보정은 일반적으로 필요하지 않다.[2]
4. 2. 주 지자기장 제거
자기 측정에는 두 가지 주요 수정이 필요하다. 첫 번째는 외부 소스에서 발생하는 필드의 단기적 변동을 제거하는 것이다. 예를 들어, 하루 24시간의 주기를 가지며 최대 30nT의 크기를 갖는 태양풍이 전리층에 미치는 작용에서 비롯된 ''시간적 변화''가 있다.[12] 또한, 자기 폭풍은 최대 1000nT의 크기를 가질 수 있으며 며칠 동안 지속될 수 있다. 기지에 반복적으로 돌아가거나 고정된 위치에서 필드를 주기적으로 측정하는 다른 자력계를 갖는 방식으로 이러한 기여도를 측정할 수 있다.[2]두 번째는 이상이 자기장에 대한 국부적인 기여도이므로, 주 지자기장을 빼야 한다는 것이다. 이를 위해 일반적으로 국제 지자기 기준 필드가 사용된다. 이것은 위성, 자력 관측소 및 기타 측량에서 얻은 측정값을 기반으로 하는 지구 자기장의 대규모, 시간 평균 수학적 모델이다.[2]
중력 이상에 필요한 일부 수정 사항은 자기 이상에 비해 덜 중요하다. 예를 들어, 자기장의 수직 기울기는 0.03nT/m 이하이므로 고도 보정은 일반적으로 필요하지 않다.[2]
5. 해석
5. 1. 이론적 배경
조사된 암석의 자화는 유도 자화와 잔류 자화의 벡터 합으로 나타난다.:'''유도 자화(Induced magnetization):''' 주변 자기장과 자기 감수율의 곱으로 표현된다.
::일반적인 암석 및 광물의 자기 감수율( SI)은 다음과 같다.[12]
| 종류 | 감수율 ( SI) |
|---|---|
| 퇴적암 | |
| 석회암 | 0-3 |
| 사암 | 0-20 |
| 셰일 | 0.01-15 |
| 화성암 | |
| 현무암 | 0.2-175 |
| 반려암 | 1-90 |
| 화강암 | 0-50 |
| 유문암 | 0.2-35 |
| 변성암 | |
| 편마암 | 0.1-25 |
| 사문석 | 3-17 |
| 점판암 | 0-35 |
| 광물 | |
| 흑연 | 0.1 |
| 석영 | -0.01 |
| 석탄 | 0.02 |
| 점토 | 0.2 |
| 자류철석 | 1-6000 |
| 자철석 | 1200-19200 |
반자성 또는 상자성 광물은 유도 자화만 갖는다. 강자성 광물(예: 자철석)은 외부 자기장이 없어도 자화를 유지하는 잔류 자화를 가질 수 있다. 잔류 자화는 수백만 년 동안 지속될 수 있으며, 현재 지구 자기장과 완전히 다른 방향을 가질 수 있다. 잔류 자화는 과거 지구 자기장의 방향과 세기를 기록하고 있어, 고지자기 연구에 활용된다.
'''쾨니히스베르거 비(Koenigsberger ratio):''' 잔류 자화와 유도 자화의 비율을 나타내는 값으로, 암석의 자기적 특성을 이해하는 데 사용된다.[2][13]
5. 2. 자기 이상 모델링
자기 이상 해석은 일반적으로 관측된 자기 이상과 모델링된 자기 이상을 비교하여 수행된다. Talwani와 Heirtzler(1964)가 개발하고 Kravchinsky 등(2019)이 발전시킨 알고리즘은 유도 자화와 잔류 자화를 모두 벡터로 취급하여, 잔류 자화의 이론적 추정을 가능하게 한다.[14][15]6. 활용
6. 1. 해저 줄무늬 (Ocean floor stripes)
해양 자기 탐사를 통해 대양 해령 주변에서 특징적인 자기 이상 패턴, 즉 줄무늬가 발견되었다. 이 줄무늬는 자기장의 세기에 있어서 일련의 양(+) 및 음(-)의 이상을 포함하며, 각 해령과 평행하게 뻗어 있다. 이러한 줄무늬는 해령 축을 중심으로 대칭적인 양상을 보인다.[16][17] 일반적으로 줄무늬의 폭은 수십 킬로미터이며, 이상값은 수백 나노테슬라에 이른다.
이러한 자기 이상 현상은 주로 현무암과 반려암에 포함된 티타노마그네타이트 광물의 영구 자화 때문에 발생한다.[16][17] 해령에서 해양 지각이 형성될 때, 마그마가 상승하여 냉각되면서 암석은 당시 자기장의 방향으로 열잔류 자화를 획득한다. 이후 암석은 판 운동에 의해 해령으로부터 멀어지게 된다. 수십만 년마다 지구 자기장의 방향이 지자기 역전되므로, 줄무늬 패턴은 전 지구적으로 나타나며, 해저 확장 속도를 계산하는 데 활용된다.[16][17]
6. 2. 기타 활용
7. 대중 문화
아서 C. 클라크의 소설 《2001 스페이스 오디세이》에서 외계인의 인공물인 모노리스는 강력한 자기 이상을 통해 발견된다.[18] 타이코 분화구 근처에서 발견된 모노리스는 TMA-1(Tycho Magnetic Anomaly 1)으로 명명되었다.[18] 목성을 공전하는 모노리스는 TMA-2로 명명되었고, 올두바이 협곡에서 2513년에 발견된 것은 TMA-0으로 명명되었다.[18]
참조
[1]
웹사이트
Geomagnetism Frequently Asked Questions
http://www.ngdc.noaa[...]
National Geophysical Data Center
2013-10-21
[2]
서적
Looking into the earth: an introduction to geological geophysics
Cambridge Univ. Press
[3]
서적
Evidence from the earth: forensic geology and criminal investigation
Mountain press publ. company
2004
[4]
서적
Stamping the Earth from Space
Springer
2017
[5]
서적
Geomagnetism
http://core2.gsfc.na[...]
Elsevier
[6]
간행물
The MAGSAT mission
1982-04
[7]
웹사이트
The CHAMP mission
http://op.gfz-potsda[...]
GFZ German Research Centre for Geosciences
2014-03-20
[8]
서적
Earth observation with CHAMP : results from three years in orbit
Springer
2005
[9]
웹사이트
The Ørsted Satellite Project
http://web.dmi.dk/pr[...]
Danish Meteorological Institute
2014-03-20
[10]
웹사이트
Swarm (Geomagnetic LEO Constellation)
https://directory.eo[...]
European Space Agency
2014-03-20
[11]
서적
Geomagnetic Observations and Models
[12]
서적
Applied geophysics
Cambridge Univ. Press
2001
[13]
간행물
Magnetic petrophysics and magnetic petrology: aids to geological interpretation of magnetic surveys
http://www.ga.gov.au[...]
2014-03-20
[14]
서적
Computation of magnetic anomalies caused by two dimensional structures of arbitrary shape
https://scholar.goog[...]
1964
[15]
간행물
Computation of magnetic anomalies caused by two dimensional structures of arbitrary shape: derivation and Matlab implementation
2019
[16]
서적
The magnetic field of the earth : paleomagnetism, the core, and the deep mantle
Acad. Press
1996
[17]
서적
Geodynamics
Cambridge University Press
2014
[18]
서적
Kubrick : inside a film artist's maze
Indiana University Press
2000
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